WO1999060183A1 - Anti-haft-beschichtung und verfahren zu ihrer herstellung - Google Patents

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Definitions

  • Patent application non-stick coating and process for its production
  • the invention relates to an Aftti adhesive coating for welding and soldering devices and electrical contacts according to the preamble of claim 1 and a method for its production according to claim 7.
  • a preferred area of application is the protection of mounting, guiding and fixing devices for welding and / or soldering devices, and in particular of automated welding lines in the automotive industry.
  • No. 4,156,807 proposes to apply a boron nitride layer to protect a workpiece against metallic contaminants in the form of hot welding spatter or welding beads.
  • Boron nitride is very temperature-resistant and therefore prevents thermally induced damage to the workpiece from hot metallic contaminants.
  • boron nitride is relatively soft, so that depending on the conditions of use of the workpiece to be machined, the layer may be mechanically damaged and the protective effect may be lost.
  • boron nitride is a good electrical insulator, the insulation property of which is undesirable, for example in the case of electrical contacts to be protected. Another Another significant disadvantage is the only moderate non-stick effect of boron nitride against metallic contaminants.
  • DE 41 10 539 A1 teaches the protection of a component with a high copper content against microscopic or macroscopic contamination such as flue gases or splashes of liquid metal by means of a protective layer made of titanium nitride or titanium carbonitride. Since the components in DE 41 10 539 A1 are to be changed as little as possible in terms of their electrical properties, these titanium-based hard materials are well suited there because of their high temperature stability and good electrical conductivity. As with boron nitride, their disadvantage is their moderate non-stick effect against metallic impurities. Furthermore, they have the disadvantage that these protective layers can be deposited in PVD or CVD processes with typically relatively high temperatures of more than 450 ° C. For this reason, such protective layers based on titanium cannot be used or can only be used to a limited extent in the case of temperature-sensitive substrates. Furthermore, the good electrical conductivity of the non-stick coating can be undesirable depending on the application.
  • the invention has for its object to largely avoid the problems of the prior art and to provide an alternative for the above-mentioned protective layers against metallic contaminants from welding and soldering processes.
  • This alternative protective layer is said to be thermally stable and, in particular, to have good non-stick properties in relation to the mostly ductile metallic impurities.
  • the anti-stick effect is to be given in particular with respect to the commonly used materials of the welding and soldering devices, i.e. primarily compared to steels and die casting.
  • Another task is to provide a hard protective layer with good wear and friction properties so that it can be used universally as mechanically as possible.
  • Another task is to provide a non-stick layer which can be tuned in its electrical conductivity so that it can be used as universally as possible with regard to its electrical behavior.
  • Another object is to provide a non-stick layer against metallic contaminants, which if possible does not damage the workpiece or component to be protected when it is applied.
  • the coatings of diamond-like carbon according to the invention for preventing metallic contaminants from welding and / or soldering processes from adhering to a surface are very hard, temperature-stable and adhesion-inhibiting, show very good wear behavior and favorable friction behavior. These coatings can be deposited easily and inexpensively, in particular by gas phase deposition, and in particular by means of the PVD or the CVD method. This means that deposition is also possible on curved surfaces with a complicated surface geometry.
  • a partial coating of the welding or soldering device is also possible.
  • a partial coating can consist in coating at least the surface areas exposed to the metallic contaminants. These are, in particular, the guides as well as fixing and holding devices for the components to be joined, but also welding jaws and welding nozzles.
  • Amorphous hydrocarbon layers (aC.H), hydrogen-free amorphous hydrocarbon layers (a: C) and silicon-containing hydrocarbon layers (Si: CH) are particularly advantageous for the purposes of the present invention.
  • the latter have particularly good non-stick properties that match those of Teflon ®.
  • Metal-containing carbon coating (Me-C: H coating) can still ensure good electrical contact. Due to the composition and the increase in the metal content, which is preferably between 10% and 49.9%, the electrical conductivity of the coating can be increased and optimized for the particular application.
  • the metals that are used are preferably metals from subgroups of the periodic table of the elements such as W, Zr, Cr, Au, Ag, Pt, Cu, Ta, Hf and V, but also Ti.
  • the layer thickness is between 0.2 ⁇ m to 15 ⁇ m.

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anti-Haft-Beschichtung für Schweiß- und/oder Lötvorrichtungen und elektrischen Kontakten zur Verringerung des Anhaftens metallischer Verunreinigungen auf deren Oberflächen, die dadurch gekennzeichnet ist, daß die Beschichtung eine diamantartige Kohlenstoffschicht ist. Weiterhin wird das Verfahren zu ihrer Herstellung gelehrt. Bevorzugtes Anwendungsgebiet ist der Schutz gegenüber metallischen Anhaftungen von Schweiß- und Lötprozessen.

Description

Patentanmeldung: Anti-Haft-Beschichtung und Verfahren zu ihrer Herstellung
Beschreibung
Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft eine Aftti-Haft-Beschichtung für Schweiß- und Lötvorrichtungen sowie und elektrischen Kontakten nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zu seiner Herstellung gemäß Anspruch 7. Bevorzugtes Anwendungsgebiet ist der Schutz von Halterungs- Führungs- und Fixiereinrichtungen von Schweiß- und/oder Lötvorrichtungen, und insbesondere von automatisierten Schweißstraßen im Automobilbau.
Stand der Technik
In der US 4,156,807 wird vorgeschlagen, zum Schutz eines Werkstückes gegen metallische Verunreinigungen in Form von heißen Schweißspritzern oder Schweißperlen eine Bornitridschicht aufzubringen. Bornitrid ist sehr temperaturbeständig und beugt daher thermisch bedingte Beschädigungen des Werkstückes durch heiße metallische Verunreinigungen vor. Bornitrid ist jedoch relativ weich, so daß es je nach Einsatzbedingungen des zu bearbeitenden Werkstückes zu einer mechanischen Beschädigung der Schicht und damit zu einem Verlust der Schutzwirkung kommen kann. Weiterhin ist Bornitrid ein guter elektrischer Isolator, dessen isolationseigenschaft zum Beispiel bei zu schützenden elektrischen Kontakten unerwünscht ist. Ein weiterer erheblicher Nachteil ist ferner die nur mäßige Antihaftwirkung von Bornitrid gegenüber metallischen Verunreinigungen.
Die DE 41 10 539 A1 lehrt den Schutz eines stark kupferhaltigen Bauteils gegen mikroskopische oder makroskopische Verunreinigungen wie Rauchgase oder Spritzer flüssigen Metalls durch eine Schutzschicht aus Titannitrid- oder Titancarbonitrid. Da die Bauteile in der DE 41 10 539 A1 möglichst wenig in ihren elektrischen Eigenschaften verändert werden sollen eignen sich diese titanbasierten Hartsoffe dort gut wegen ihrer hohen Temperaturstabilität und ihrer guten elektrischen Leitfähigkeit. Nachteilig ist wie bei Bornitrid deren nur mäßige Antihaftwirkung gegenüber metallischen Verunreinigungen. Weiterhin weisen sie den Nachteil auf, daß diese Schutzschichten bei PVD- oder CVD-Prozessen mit typischerweise relativ hohen Temperaturen von mehr als 450 °C abgeschieden werden können. Derartige Schutzschichten auf Titanbasis lassen sich aus diesem Grund bei temperaturempfindlichen Substraten nicht oder nur begrenzt einsetzen. Weiterhin kann die gute elektrische Leitfähigkeit der Anti-Haft-Beschichtung je nach Anwendungsfall unerwünscht sein.
Beim Schutz von Oberflächen gegen metallische Verunreinigungen, zum Beispiel Verunreinigungen von Schweißprozessen wie in den oben genannten Druckschriften kommt es neben dem thermischen Schutz der Oberfläche auch maßgeblich darauf an, daß die metallischen Verunreinigungen nicht auf der Oberfläche anhaften. Die anhaftenden metallischen Verunreinigungen können sowohl zu mechanischen als auch zu elektrischen Fehlfunktionen führen.
Beim Schweißen und Hartlöten werden häufig Führungs-, Fixier- und Klemmvorrichtungen aus Stählen und Gußwerkstoffen eingesetzt, die gegenüber metallischen Verunreinigungen wegen ähnlich hoher Werte in der totalen Oberflächenenergie σ,ot stark zum Anhaften neigen. Anhaftende metallische Verunreinigungen führen dort zu einer Maßungenauigkeit der genannten Vorrichtungen, die deshalb häufig ausgewechselt oder nachgearbeitet werden müssen. Derartige Probleme tauchen zum Beispiel in automatisierten Schweißstraßen auf, z.B. im Automobilbau oder bei der Herstellung von Rohren.
Es gibt ferner elektrische Bauteile, wie zum Beispiel Kontaktspitzen, Kontaktfedern oder Kontaktklemmen, welche in der Elektroindustrie zur Funktionsprüfung elektronischer Bauteile vorgesehen sind, die häufig mit Weichloten in Berührung kommen. Wegen der nur geringen Lottemperaturen von anfangs maximals 450 °C besteht das Erfordernis dabei weniger in der Bereitstellung einer thermisch stabilen Schutzschicht, sondern in einer Schutzschicht, welche das Anhaften des aufgeschmierten weichen, meist zinn- oder bleihaltigen Lotes verhindert. Anhaftendes metallisches Lot beeinflußt jedoch auf unkontrollierbare Weise den elektrischen Kontakt was zu elektrischen Fehlfunktionen führt. Derartige Kontakte bestehen häufig aus Buntmetallegierungen, und werden aus den genannten Gründen häufig durch galvanische Schichten mit Cr, Ni, Ag, Au geschützt. Diese Schichten weisen zwar die erforderliche elektrische Leitfähigkeit auf, sind aber recht weich und werden schnell abgerieben.
Darstellung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Probleme nach dem Stand der Technik weitestgehend zu vermeiden und eine Alternative für die oben erwähnten Schutzschichten gegen metallische Verunreinigungen aus Schweiß- und Lötprozessen zur Verfügung zu stellen. Diese alternative Schutzschicht soll thermisch stabil sein und insbesondere gute Antihafteigenschaften gegenüber den meist duktilen metallischen Verunreinigungen aufweisen. Die Anti-Haft-Wirkung soll insbesondere gegenüber den üblicherweise verwendeten Materialien der Schweiß- und Lötvorrichtungen gegeben sein, d.h. vornehmlich gegenüber Stählen und Druckguß.
Eine weitere Aufgabe besteht darin, eine harte Schutzschicht mit gutem Verschleiß- und Reibeigenschaften zur Verfügung zu stellen um mechanisch möglichst universell einsetzbar zu sein. Weitere Aufgabe ist es eine Antihaftschicht zur Verfügung zu stellen, welche in ihrer elektrischen Leitfähigkeit durchgestimmt werden kann, damit sie hinsichtlich ihres elektrischen Verhaltens möglichst universell einsetzbar ist.
Eine weitere Aufgabe besteht darin eine Antihaftschicht gegen metallische Verunreinigungen zur Verfügung zu stellen, die bei ihrem Aufbringen auf dem zu schützenden Werkstück oder Bauteil dieses möglichst nicht beschädigt.
Erfindungsgemäß wurde erkannt, daß diese Aufgaben durch eine Anti-Haft-Beschichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 in Verbindung mit seinem kennzeichnenden Teil gelöst werden. Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Anti-Haft- Beschichtung werden in den abhängigen Ansprüchen gegeben. Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung dieser Beschichtungen erfolgt nach dem Oberbegriff des Anspruchs 7 in Verbindung mit seinem kennzeichnenden Teil.
Die erfindungsgemäßen Beschichtungen aus diamantartigem Kohlenstoff zur Verhinderung des Anhaftens metallischer Verunreinigungen von Schweiß- und/oder Lötprozessen auf einer Oberfläche sind sehr hart, temperaturstabil, adhäsionshemmend, zeigen ein sehr gutes Verschleißverhalten und ein günstiges Reibverhalten. Diese Beschichtungen lassen sich insbesondere durch Gasphasenabscheidung, und insbesondere mittels des PVD- oder des CVD-Verfahrens leicht und kostengünstig abscheiden. Dadurch ist die Abscheidung auch auf gekrümmten Oberflächen mit komplizierter Oberflächengeometrie möglich. Auch eine partielle Beschichtung der Schweiß- oder Lötvorrichtung ist möglich. Eine partielle Beschichtung kann darin bestehen, daß zumindest die den metallischen Verunreinigungen ausgesetzten Oberflächenbereiche beschichtet sind. Dies sind insbesondere die Führungen sowie Fixier- und Halteeinrichtungen für die zu fügenden Bauteile, aber auch Schweißbacken und Schweißdüsen. Besonders vorteilhaft im Sinne der vorliegenden Erfindung sind amorphe Kohlenwasserstoffschichten (a-C.H), wasserstofffreie amorphe Kohlenwasserstoffschichten (a:C) und siliciumhaltige Kohlenwasserstoffschichten (Si:C-H). Letztere verfügen über ganz besonders gute Anti-Haft-Eigenschaften, die an diejenigen von Teflon ® heranreichen.
Eigene Untersuchungen ergaben, daß das Problem des Anhaftens metallischer Verunreinigungen weniger bei bereits erkalteten und weitgehend spröden Verunreinigungen kritisch ist. Diese haften nur relativ schwach an der meist metallischen Oberfläche der Schweiß- und Lötvorrichtungen. Problematisch ist vielmehr das starke Anhaften der bei ihrem Auftreffen auf die Oberfläche noch nicht erkalteten und daher noch duktilen Verunreinigungen. Durch die erfindungsgemäßen Anti-Haft- Beschichtungen kann das Anhaften metallischer Verunreinigungen von Schweiß- und Lötprozessen auf den meist aus Stahl oder Druckguß bestehenden Schweiß- und/oder Lötvorrichtungen deutlich reduziert werden. Dies gilt insbesondere bei duktilen metallischen Verunreinigungen wie Schweißperlen, Schweißspritzern, Hart- oder Weichlottropfen. Dadurch bedingte Standzeiten, innerhalb derer die verunreinigten Bauteile ausgewechselt, nachgearbeitet oder gereinigt werden müssen, können erhöht werden. Stillstands- bzw. Wechselzeiten können daher verringert werden.
Die sich insbesondere in automatisierten Schweißstraßen wie im Automobilbau oder der Rohrfertigung einstellende Maßungenauigkeit durch Verunreinigungen der Bauteile wie zum Beispiel Führungen, Fixier- und Halteeinrichtungen kann vermieden werden. Damit können Positionierungsfehler beim Schweißen verhindert und die Entstehung von Ausschuß minimiert werden.
Elektrische Kontakte wie zum Beispiel Kontaktstifte oder Kontaktfedern in der Elektroindustrie, können durch die erfindungsgemäßen Anti-Haft-Beschichtungen effektiv vor Anhaftungen von Hart- oder Weichloten geschützt werden. So können
Funktionsstörungen beim Testen von elektronischen Bauteilen vermieden werden. Durch die Wahl einer metallhaltigen Kohlenstoffbeschichtung (Me-C:H-Beschichtung) kann dabei weiterhin ein guter elektrischer Kontakt sichergestellt werden. Durch die Zusammensetzung und durch die Erhöhung des Metallgehaltes, welcher vorzugsweise zwischen 10% und 49,9% liegt, läßt sich die elektrische Leitfähigkeit der Beschichtung erhöhen und auf den jeweiligen Einsatz hin optimieren. Die Metalle, die eingesetzt werden, sind bevorzugt Metalle aus Nebengruppen des Periodensystems der Elemente wie W, Zr, Cr, Au, Ag, Pt, Cu, Ta, Hf und V, aber auch Ti.
Sehr gute Anti-Haft-Eigenschaften ergeben sich insbesondere, wenn die Schichtdicke zwischen 0,2 μm bis 15 μm liegt.

Claims

Patentansprüche
1) Anti-Haft-Beschichtung für Schweiß- und/oder Lötvorrichtungen und elektrischen Kontakten zur Verringerung des Anhaftens metallischer Verunreinigungen auf deren Oberflächen, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung eine diamantartige
Kohlenstoffschicht ist.
2) Beschichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung eine Schicht aus a-C, a-C:H, Me-C:H oder Si-C:H ist.
3) Beschichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung eine Schicht aus Me-C:H ist, wobei das
Metall W, Zr, Cr, Au, Ag, Pt, Cu, Ta, Hf, V, oder Ti ist.
4) Beschichtung nach mindestens einem der Ansprüche 2 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Metallgehalt zwischen 10% und 49,9% liegt.
5) Beschichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung eine Dicke zwischen 0,2 μm bis 15 μm aufweist.
6) Beschichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung eine durch Gasphasenabscheidung, insbesondere durch ein CVD- oder PVD-Verfahren abgeschiedene Schicht ist.
7) Verfahren zur Herstellung von Beschichtungen auf Schweiß- und/oder Lötvorrichtungen, dadurch gekennzeichnet, daß mittels eines Gasabscheideverfahrens, vorzugsweise durch ein CVD- oder PVD-Verfahren, zumindest auf den den metallischen Verunreinigungen ausgesetzten Oberflächenbereichen dieser Vorrichtungen eine diamantartige Kohlenstoffschicht abgeschieden wird.
8) Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß als diamantartige Schicht eine Schicht aus a-C:H, Me-C:H oder Si-C:H abgeschieden wird.
9) Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 7 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß als diamantartige Schicht eine Schicht aus Me-C:H abgeschieden wird, bei der der Me-Gehalt zwischen 10% und 49,9% liegt.
10) Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß als diamantartige Schicht eine Schicht aus Me-C:H abgeschieden wird, bei der das Metall W, Zr, Cr, Au, Ag, Pt, Cu, Ta, Hf, V, oder Ti enthält.
11 ) Verwendung einer kohlenstoffhaltigen Beschichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6 zur Verhinderung des Anhaftens metallischer Verunreinigungen auf der Oberfläche von Schweiß- oder Lötvorrichtungen.
12) Verwendung einer kohlenstoffhaltigen Beschichtung nach Anspruch 11 zum Schutz von Schweißbacken und Schweißdüsen.
13) Verwendung einer kohlenstoffhaltigen Beschichtung nach Anspruch 11 zum Schutz von Fixier-, Führungs- und Halteeinrichtungen von Schweiß- und Lötanlagen.
14) Verwendung einer kohlenstoffhaltigen Beschichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6 zur Verhinderung des Anhaftens metallischer Verunreinigungen auf der Oberfläche von elektrischen Kontakten, insbesondere von Kontaktstiften, Kontaktfedern und
Kontaktklemmen.
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